第十七章 山麓-洪积相

第一节 山麓—洪积相沉积过程及沉积类型

一、基本特征

山麓一洪积相出现于大陆地区的山前带，常环绕山脉沿山麓大面积分布。它由大大小小的冲积扇和充填其间的山麓坡积、坠积物组合而成，属大陆相组的一个组成部分 (表16–2)。

在干热气候条件下，地壳升降运动较强烈地区的风化、剥蚀作用剧烈，其形成的产物被山区的暂时性水流 (雨水或洪水) 或山区河流带走。当水流流出山口，地形坡度急剧变缓，水流向四方散开，流速骤减，水流携带的碎屑物质大量沉积，形成锥状或扇状堆积体，称为洪积锥或洪积扇。它具有山区河流冲积成因的特点，故又称为冲积扇。随着冲积扇的沉积发育，其范围逐渐扩大，山前的冲积扇彼此逐渐联结起来，并掩埋和充填了山前的坡积和坠积物，形成了环绕山脉的山麓—洪积相。

山麓一洪积相的形成和发展受自然地理、气候条件和地壳升降运动等因素的制约。造山作用越强、地形高差越大、气候越干旱，山麓—洪积相就越发育。

冲积扇在空间上是一个沿山口向外伸展的巨大锥形沉积体，锥体顶端指向山口，锥底向着平原，其延伸长度可达数百米至百余公里。在纵向剖面上，冲积扇呈下凹透镜状或呈楔形，横剖面上呈上凸形，其表面坡度在近山口的扇根处可达5°~10°，远离山口变缓，为2°~6°。其沉积物的厚度变化范围可从几米至近万米。冲积扇可以单个出现，但大多数情况下也可由多个冲积扇沿着山系的前缘在横向上彼此联结，形成冲积扇复合体系，其延伸可达数百公里。冲积扇沉积主要受汇水盆地大小、气候和地形等多种因素的控制。一般来说，汇水盆地越大、气候越湿润、地形越平缓，则冲积扇沉积面积越大。母岩为泥岩岩类，则形成的冲积扇较大且沉积表面较陡； 地形坡度越陡，则形成的冲积扇越小。当然，造山运动是形成巨厚的大型冲积扇的重要条件。山脉的形成导致了母岩区剥蚀作用的增强和河流能量的提高，碎屑物质的大量搬运造成了大型冲积扇的形成。尤其当地壳升降运动速度超过山区主河床下切速度时，更有利于巨厚层冲积扇的形成。

根据气候条件不同，可将冲积扇划分为湿润型和干旱型两种类型 (图17-1，表17-1)。润湿型冲积扇单个扇体大，表面积可为干旱型冲积扇的数百倍，最大面积可达16000km²，扇体中河流作用较明显，发育河流作用产生的沉积结构和构造。湿润型冲积扇分布区年降雨量为1500~2500mm，沉积速率可高达5.0~7.5m/a。干旱型冲积扇呈面积较小的锥形体，扇体面积小于100 km²，山根处沉积厚度大，向扇缘处沉积厚度快速减薄。干旱型冲积扇地处降雨量少的干热气候带，季节性暴雨或高山积雪融化形成间歇性河流，这些河流携带大量沉积物，主要以泥石流形式在山口处大量堆积形成冲积扇。

表17-1 干旱型和湿润型冲积扇特征对比

类型	干旱型冲积扇	湿润型冲积扇
河流性质	间歇性河流	长年河流
扇体半径 和沉积厚度	一般为 1.5~8km, 最大可达 25km, 沉积面 积小； 沉积厚度大， 可达8000m	50~140km, 沉积面积较大, 可达几百平 方公里； 沉积厚度较小， 几米到几百米
坡 度	较陡, 一般3°~10°	平缓, 小于1°~1.5°
河床分布格局	变化频繁紊乱	河流往往定向迁移、决口改道具有突发性
沉积物分布	自扇顶向前缘沉积物逐渐变细， 发育较多泥石 流沉积	自扇上部至前缘沉积物逐渐变细， 但在冲 积扇中部和前缘的河槽内分布砾质沉积， 发育河道沉积
垂直层序	整个冲积扇层序自下而上逐渐变粗， 但单个沉 积旋回主要为向上变细的河流层序	整个冲积扇及单个旋回均为向上变细的 层序

注: 此表根据 Schumm S. A. 1977; Friedman G. M. 1978; Gole C. V1966资料整理。

二、沉积过程和沉积类型

冲积扇上可能出现两种类型的搬运和沉积作用：一种是起因于暂时性水流形成的牵引流搬运沉积作用，其特点是在山口的扇根部分发育主河道，向扇端方向形成以放射状散开且逐渐变浅的辫状分支河道，暂时性流水携带沉积物沿河道或漫溢出河道而堆积； 另一种则起因于泥流、泥石流等陆上重力流作用。因此，冲积扇上的沉积物按成因可分为水携沉积物和泥石流沉积物两种类型。前者可进一步按沉积的位置和沉积物特征划分为河道沉积、漫流沉积和筛状沉积 (图 17-2, 图17-3)。

(一) 河道沉积

河道沉积又称为河床充填沉积，或称为槽流沉积。冲积扇常被暂时性 (间歇性) 河流切割，当洪水再次到来时，所携带的沉积物在这些暂时性河床中沉积下来，就形成了冲积扇上的河道沉积。

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河床充填沉积主要由砾、砂沉积物组成，粒度粗，分选也差。成层性不好，向下游方向可见交错层理，各单层的成层厚度一般为5~60cm。常具明显的切割一充填构造，并且常因这种构造的影响使粗粒物质位于扇体的中部或下部，以致破坏了沉积物粒度从扇顶至扇缘逐渐变细的分布状况。

(二) 漫流沉积

携带沉积物的流水从冲积扇河床末端漫出，流速和水深的骤减，使携带的沉积物呈席状或片状沉积下来，形成席状砂岩、砾岩和泥岩堆积体，称为漫流沉积，亦称为漫洪沉积或片流沉积。

漫流沉积物主要由粗碎屑组成，可含有少量粘土粉砂，常呈块状，亦可出现交错层理或细的纹层，产状呈透镜状。一系列漫流沉积的透镜体组合，形成席状或片状沉积体，通常构成冲积扇的主体。

(三) 筛状沉积

当源区供给冲积扇的陆源物质主要为砾石而无或极少有其他粒级的物质时，在冲积扇的表层便堆积了舌状砾石层。由于沉积物粒度粗，砂质之类细碎屑的充填物较少，故渗透性极好，在洪水尚未流到扇缘之前，就沿着像滤水筛子一样的砾石层渗滤到扇体中去了。因此不能形成地表水流，从而阻止了粗粒物质的向前搬运。扇体表层的砾石层就称为筛状沉积。它虽较为少见，但它是冲积扇上最富特色的沉积。

筛状沉积主要由次棱角状的粗大砾石组成，分选较好，其间充填物较少，而且主要是分选好的砂级碎屑，无明显的成层界线，常形成块状沉积层。

筛状沉积的形成要求独特的源区条件，即母岩区应是节理发育的石英岩之类的岩石。

(四) 泥石流沉积

当水流携带的砾石和泥砂沉积物达到足够量时，就形成了密度大、粘度高、呈可塑性状态的流体，称为泥石流。大量碎屑物质在泥石流中呈块状整体悬浮搬运，在扇体上堆积后，形成泥石流沉积。

泥石流经常发育在扇体的根部和中部，其最大特点是砾、砂、泥混杂，分选极差，大者为可达数吨的漂砾，小至粉砂、粘土，但总体是以后者占优势，一般不发育层理。粘度大的泥石流，其粗粒碎屑分布均匀，呈块状层理构造； 粘度不大者可具粒序层理，扁平状砾石呈水平或叠瓦状排列，甚至直立状。在形态上，泥石流呈舌状或叶瓣状，具有陡、厚而清晰的边缘。

主要由砂、粉砂、泥质组成的泥石流称为泥流，粗粒级沉积物含量较少，一般不含2mm以上的粗粒沉积物，但分选仍很差，表面可发育龟裂。

泥石流的形成与源区母岩性质关系密切。在母岩为泥质岩且植被不发育、地形坡度较陡的情况下，因暴雨而造成短期内水量骤增 (洪水)，以致侵蚀作用增强，大量泥砂被携带而形成泥石流。

冲积扇可以由某种单一的沉积类型组成，如为漫流或泥石流的单一沉积。但大多数冲积扇是由上述几种沉积类型共同组合而成。总体来说，以漫流和泥石流沉积为主，河床充填沉积和筛状沉积在组合中占的比重较小。

第二节 冲积扇沉积模式

按照现代冲积扇地貌特征和沉积特征，可将冲积扇相进一步划分为扇根、扇中和扇缘三个亚相或称为近端扇、中扇和远端扇 (图17-2)。根据冲积扇所处气候带不同，下面详细叙述干旱型和湿润型冲积扇的沉积特征。

一、干旱型冲积扇

干旱型冲积扇常不发育植被，主要由泥石流、筛状、片流、辫状河道沉积组成，这些沉积物所占扇的比例是因地而异的，泥石流成因的沉积物可占扇体的5%~14%。泥石流沉积是干旱型冲积扇的重要组成部分，特别是在扇根处，沉积厚度大，向下游方向，沉积厚度急剧减薄，粗碎屑含量降低，但粘土含量相对不变。泥石流沉积以成分杂、无层理、基质支撑、砾石悬浮直立状、碎屑棱角状为特征 [图17-3(a)]。筛状沉积面积占扇的比例是较小的，但在砾石丰富、粉砂与粘土很少的地方，扇体可主要有筛状沉积组成。砂质的扇缘沉积具板状和槽状交错层理及波纹层。洪泛下切河道的快速充填产生了向上变细的垂向层序。扇缘处的片流沉积由平行纹层砂组成，并被次级沙丘河道横切。扇缘处沉积构造常被化学沉淀、矿物生长、植物根、掘穴等破坏。

(一) 扇根

扇根位于冲积扇的根部，往往只有1~2条河道，沉积宽度较小，沉积坡度较陡。主要沉积物为泥石流沉积和河道充填沉积，其岩石类型为成分复杂、分选差、无组构的混杂砾岩、具叠瓦状构造的砾岩和砂砾岩，具有块状构造和明显的冲刷面，可见砾石直立或大角度斜列，砾石中间充填粘土以及砂级杂基，无化石。有时可见具有不明显平行层理、交错层理的砂砾岩 (图17-4)。

(二) 扇中

扇中构成了冲积扇的格架，具有较为明显的牵引流沉积作用，发育河道沉积和漫流沉积。主要沉积物为成分复杂、分选较差的砂岩、砾质砂岩和砾岩，砂岩和砾质砂岩占主体地位。砾石结构混杂或具有叠瓦状构造，扁平面倾向扇根方向。砂岩和砾质砂岩可具有不明显的平行层理和交错层理，常位于具有叠瓦状构造的砾岩之上，构成向上变细的沉积韵律 (图17-4)。扇中主要河道之间发育漫流沉积，主要由砂岩和泥岩构成，砂岩具有交错层理； 泥岩具有暴露构造，如干裂和雨痕等。

(三) 扇缘

扇缘位于冲积扇的周边，缺少明显的河流冲刷作用，沉积坡度变缓，沉积范围扩大，沉积物变细，主要沉积物为砂岩、粉砂岩和泥岩，局部见膏盐沉积。砂岩分选相对变好，具有平行层理和交错层理，沉积厚度较扇中河道沉积薄、宽度大。泥岩沉积具有块状构造和暴露标志 (图 17-4)。

二、湿润型冲积扇

湿润型冲积扇可有较发育的植被和明显的河流作用。自扇根到扇缘的沉积特征具有较明显的变化，即河流能量降低、河道深度变浅、碎屑粒径变小、沙坝类型由席状沙坝经过渡带变化为远端的纵向沙坝、格架砾岩的体积迅速减小而交错层状含砾砂岩的体积则相应增加、交错层规模向远端减小，由板状层组过渡为槽状层组 (图17-5，图17-6)。

湿润型冲积扇相中的3个亚相是逐渐过渡的 (图17-5，图17-6)。扇根 (近端扇) 亚相主要由若干单元的厚层格架砾岩组成，这些单元的基底是平的，在垂直于水流方向的剖面中具有上凸的顶面。沉积单元呈长条状，与水流方向平行，两侧为具交错层理的砂岩。近端扇亚相主要受风暴泄水量的控制。砾石主要为巨砾粒级，碎屑呈叠瓦状并且磨圆良好。大多数细砾和巨砾相互接触，其间被后期的较细粒沉积物充填。扇中 (中扇) 亚相 (图17–5)底部发育冲刷面，沉积物含砾不多，但在中扇亚相中可确定出两种类型的沙坝。中扇上部或过渡带为粗砾的斜长方形沙坝； 中扇下部为纵向沙坝。斜长方形沙坝与相邻河道间的地形高差大于近端扇席状沙坝与邻近河道的高差。最大的碎屑集中于斜长方形沙坝的上游一端，在坝的侧方或下游一侧，砂楔具板状交错层理，河道砂质砾石中具槽状交错层理。中扇下部的纵向沙坝主要由较细的砾石组成并被由洪泛形成的、具沙丘的低水流河道分隔开。纵向沙坝砾岩具有水平层理和板状前积层等。扇缘 (远端扇) 中的砾石仅分散在具槽状、板状交错层理的一些薄层砂岩和透镜体砂岩中。远端扇中辫状河道发育。沙坝类型包括纵向、舌形和横向形式。最常见的沉积构造是板状交错层理和波纹层理，河道沙丘沉积了槽状交错层理砂岩。

第三节 古代冲积扇鉴别标志及冲积扇与油气关系

一、冲积扇鉴别标志

(一) 沉积岩性

冲积扇是间歇性急流堆积的产物。沉积物质经常暴露地表，遭受着不同程度的氧化作用，故缺少还原性的暗色沉积物，泥质沉积物的颜色一般带有红色，这是干旱和半干旱地区冲积扇的重要特征。

泥石流和筛状沉积是冲积扇的典型识别标志。

冲积扇岩性变化较大，颜色偏红或杂，这主要与母岩区类型和沉积环境有关。大多数冲积扇以砾石沉积为主，砾石间充填砂、粉砂和粘土级的碎屑。近端扇以砾、砂岩为主，至远端扇砂、粉砂和粘土含量增多。在冲积扇沉积中，由于沉积物暴露地表，处于气候较干旱的沉积环境，常见有碳酸盐、硫酸盐等矿物，如方解石、石膏等。这些盐类矿物反映了母岩区类型和沉积环境。

(二) 沉积结构

冲积扇沉积物以含大量砾石为特征。沉积物粒度粗、成分和结构成熟度低。砾石磨圆较差，较大粒径的砾石与较小粒径的砂、泥相互混杂接触。然而，不同沉积过程形成的沉积物分选性和支撑类型可有不同。布尔 ( Bull，1960)曾对美国迪亚布洛山脉冲积扇的不同类型沉积物的分选性作过定量对比，其中泥石流沉积物的分选最差，在垂向和平面上粒度变化快。泥石流沉积物常显基质支撑结构，筛状、片流、河床充填沉积主要为碎屑支撑结构。

(三) 粒度特征

冲积扇砂质沉积物的粒度概率曲线常为悬浮组分含量高的三段式。滚动组分含量1%~30%, 跳跃组分含量50%~60%, 悬浮组分含量 10%~30%。从扇根向扇缘方向, 滚动和跳跃组分含量降低，悬浮组分含量增高。冲积扇中不同类型沉积物具有不同特征的C—M图(图17-7)。漫流沉积与河床充填沉积在C—M图上为一弯曲图形，与帕塞加牵引流标准C—M图相比，缺少RS段，而只有 P—Q—R段图形，说明均匀悬浮沉积对发育漫流沉积与河床充填沉积的冲积扇来说是不特征的。图形 PQ段代表冲积扇河床充填沉积； QR 段大致与C=M线平行，代表了递变悬浮搬运的漫流沉积。泥流沉积是一个近于与C=M线平行的长条状图形，与帕塞加的浊流沉积C—M图接近。所不同者，浊流C—M图中线上的样品点, C是M值的2.3~4.2倍, 而泥石流C—M图中线上各点, C是M值的40~80倍, 这说明泥石流比浊流在分选上要差的多，粘度和密度也大得多 (图17-7)。

(四) 生物化石

冲积扇中几乎不含动物化石，少见植物化石，也很少含有机质。

(五) 沉积构造

沉积构造是水动力作用的直接产物，它能反映当时的沉积环境特征。由于冲积扇沉积是属于间歇性急流成因，故层理发育程度较差或中等。泥石流沉积显示块状层或不显层理，细粒泥质沉积物可见薄的水平层理，粗粒碎屑沉积有时亦可见不太明显和不太规则的交错层理，斜层倾向扇缘，倾角为 10°~15°。在垂向上，层理构造表现为流水沉积物与泥质沉积物复杂交互的构造序列 (图 17-3, 图17-4, 图 17-5)。

冲积扇的粗碎屑沉积中常见冲刷一充填构造，主要发育在扇根和扇中附近。砂质沉积局部可见水流波痕。砾石若有定向排列，则呈向源倾斜，倾角30°~40°。泥质表层可发育泥裂、雨痕等。

(六) 垂向层序及沉积相组合

冲积扇在形成和发育过程中，可发生进积或退积作用，形成有明显不同序列特征的沉积层序。当冲积扇向源区退积，则形成下粗上细的退积正旋回层序，否则相反。在扇体的不同部位，其沉积层序组合和沉积厚度也不相同(图17-4，图17-6)。

在横向上，冲积扇向源区方向与残积、坡积相邻接，向沉积区常与冲积平原组合或风成—干盐湖相相接，与河流或湖泊、沼泽沉积呈超覆或舌状交错接触，有时也可直接与滨海(湖) 平原共生。甚至有些扇体可以直接进入湖泊或海盆地的安静水体，形成部分位于水下的扇三角洲或完全位于水下的水下扇。

二、冲积扇与油气关系

冲积扇在我国现代大陆沉积中及地史时期的古代沉积中都不乏其例，特别是在构造活动强烈、地势高差大和气候干旱的地区。

准噶尔盆地西北缘克拉玛依油田二叠一三叠系砂砾岩沉积体是古代冲积扇的典型实例。三叠系冲积扇杂色砾岩厚度可达 2500m，它由7个冲积扇组成，沿老山山前古盆地边缘断裂带分布，彼此连接构成冲积裙带 (图17-8)。其岩性以杂色中一细砾岩为主，夹大量砾质砂岩及中—粗砂岩。砾岩占沉积总厚度的60%~90%，90%的砾石为来自相邻母岩区的变质砂泥碎屑物质, 粒径 1~6mm, 大者达 60 mm,分选、圆度差，结构混杂，见洪积层理及冲刷面，无生物化石。在每个扇体的扇中部分发育砂砾岩体，厚度较大，向扇体两侧减薄； 扇中砂砾岩粒度适中，分选稍好，胶结疏松，孔隙性和渗透性较好，加之断裂发育，可储集油气形成油田。